1.本发明涉及复合纳米材料和石油开采技术研究领域，具体涉及一种在水力压裂过程中具有可溶解性能的携砂纤维及其制备与应用。


背景技术：

2.随着常规油气资源短缺，油气产业勘探开发领域重点逐步向非常规油气转移延伸，对非常规油气相关的勘探和研究技术日益关注。非常规油气储量巨大，致密油气资源丰富，非常规油气安全高效的开采关乎能源转型与能源安全大局。而为达到致密油气藏开发增产增效的主要目标，水力压裂已得到充分关注和大力发展。其中，压裂液的注入是压裂技术的核心环节之一，是油气井、注水井储层增注的重要技术措施，可以有效提高油田的开采率并改善注射水条件。因此，如何制备出性能优越的压裂液对油气藏开采至关重要。
3.其中，一种有效的方法是通过在压裂液中加入纤维材料，使其与压裂液和支撑剂混合后，利用高压泵将压裂液及支撑剂一起泵入地层。而作为压裂液的一种成分，分散性良好的纤维在压裂液中可以实现自动分散，并形成网状结构，从而赋予较低黏度的压裂液以更加优异的携砂性能。通过与支撑剂聚集，成为使支撑剂悬浮性提升的优良材料，并起到稳定支撑剂团和降低支撑剂沉降速度的作用。当闭合压力较高时，压裂形成的缝隙容易闭合，而纤维-压裂液体系能使石英砂等支撑剂在压裂过程中维持更长时间的悬浮状态，改善裂缝闭合时的支撑效果。因而，在裂缝中能够形成顺畅的导流通道，导流能力会比单纯使用压裂液高几个等级。
4.目前，为了达到油气藏开采、增产增效的需求，关于携砂纤维的研究主要集中在其导流性能、分散性能上，而对其延迟溶解性、携砂易返排性能等研究较少。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种携砂纤维及其制备与应用，本发明首次将磷酸镁-纤维蛋白胶和氯化锌加入纤维聚合物，使得制备的携砂纤维具有更加良好的韧性和溶解性。
6.为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明一方面提供一种携砂纤维，按质量份数包括以下成分：
8.聚乳酸(pla)100份
9.聚对苯二甲酰对苯二胺12-16份；
10.十二烷基苯磺酸钠3-5份；
11.柠檬酸2-5份；
12.聚乙烯醇15-23份，优选15-17份；
13.单硬脂酸甘油酯10-22份，优选10-15份；
14.聚乙二醇15-25份，优选15-18份；
15.磷酸镁-纤维蛋白胶8-10份；
16.氯化锌2-3份。
17.本发明首次将磷酸镁-纤维蛋白胶和氯化锌加入纤维聚合物，使得制备的携砂纤维具有更加良好的韧性和溶解性。
18.根据本发明的携砂纤维，优选地，所述聚乳酸的相对分子量为100000-140000，所述聚乙烯醇的相对分子量为25000-35000，所述聚对苯二甲酰对苯二胺的相对分子量为50000-70000。
19.根据本发明的携砂纤维，所述聚乙烯醇优选为15-17份。
20.根据本发明的携砂纤维，所述单硬脂酸甘油酯优选为10-15份。
21.根据本发明的携砂纤维，所述聚乙二醇优选为15-18份。
22.根据本发明的携砂纤维，优选地，所述磷酸镁-纤维蛋白胶为磷酸镁与纤维蛋白胶的均匀混合产物更优选地，所述磷酸镁与纤维蛋白胶质量比为1:5。
23.根据本发明的携砂纤维，优选地，所述携砂纤维的长度为5mm
–
7mm。
24.根据本发明的携砂纤维，为达到更好的携砂效果，所述携砂纤维的直径优选为30μm
–
37μm。
25.根据本发明的携砂纤维，优选地，所述携砂纤维表面覆盖有一层薄膜。更优选地，所述薄膜的覆膜材料成分包括：明胶、增塑剂(优选甘油)和水，更优选地，所述明胶、增塑剂和水的质量比为1:0.5:1.5。所述薄膜通过喷塑机喷头将材料均匀喷撒到携砂纤维上，在纤维表面形成一层柔软并富有弹性的薄膜。
26.通过在携砂纤维表面均匀覆盖一层薄膜，使覆膜后的携砂纤维在压裂过程中能被泵至更深的地缝中，达到更好的携砂效果。
27.本发明另一方面提供一种以上携砂纤维的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
28.将各成分的混合物熔融，之后通过静电纺丝挤出熔体细流，喷丝后的溶体浸入凝固浴中冷却，得到初生纤维；
29.对所述初生纤维进行拉伸；
30.在200℃至220℃下热定型、常温冷却喷淋，在80℃至100℃下蒸汽熨烫、卷曲，再进行缠绕，切断，得到所述携砂纤维。
31.根据本发明的制备方法，优选地，各成分混合后在1500r/min下搅拌30min
–
50min，制得均匀的混合物。
32.根据本发明的制备方法，优选地，所述熔融是在200℃下螺杆挤压熔融。
33.根据本发明的制备方法，优选地，所述凝固浴成分为水和n,n-二甲基乙酰胺(dmac)的混合溶液。
34.根据本发明的制备方法，优选地，所述凝固浴的温度为5℃至10℃；所述浸入凝固浴中冷却的时间为10s
–
15s。
35.根据本发明的制备方法，优选地，所述拉伸包括：常温下的导辊牵伸，温度为75℃至85℃的牵伸槽进行的湿热牵伸，以及在温度为85℃至100℃的蒸汽中进行的干热牵伸。经过导辊牵伸、湿热牵伸和干热牵伸提高纤维的力学性能和尺寸稳定性。
36.根据本发明的制备方法，优选地，利用纤维切断机对携砂纤维进行切割，使所得携砂纤维的长度为5mm
–
7mm。
37.根据本发明的制备方法，优选地，为达到更好的携砂效果，在静电纺丝过程中使用不同尺寸的喷头，使得所得携砂纤维的直径为30μm
–
37μm。
38.根据本发明的制备方法，为了使所述携砂纤维表面覆盖有一层薄膜，使用明胶、增塑剂(优选甘油)和水按照质量比1:0.5:1.5的比例混合配置成溶液，通过喷塑机喷头均匀喷撒到携砂纤维上，可以在纤维表面形成一层柔软并富有弹性的薄膜。
39.本发明制备出的携砂纤维具有与其他携砂纤维不同的延迟溶解能力。因此，在地层中本发明制备出的携砂纤维可以随压裂液被泵至地缝更深处，维持更久的携砂能力，在后期返排过程中能有效防止支撑剂回流。
40.本发明再一方面提供一种以上携砂纤维在油井储层压裂改造中的应用。
41.在油井储层压裂改造中，所述携砂纤维优选的使用量为压裂液质量的0.1％-1％。
42.本发明为了提高纤维性能，通过加入聚酯聚合物(聚乳酸pla)形成超细纤维。超细纤维的单丝线的密度低于普通的纤维，所以比普通携砂纤维会更加柔软细腻。使用静电纺丝法，通过喷射气流将低黏度的聚酯聚合物熔体喷射成短纤维。
43.此外，本发明首次将磷酸镁-纤维蛋白胶和氯化锌加入纤维聚合物，使得制备的携砂纤维具有更加良好的韧性和溶解性。
44.本发明的压裂用可溶解携砂纤维相较于单纯的支撑剂压裂液，在较高压力下，依然拥有优良的导流能力；此外，在90℃温度下可以实现绝大程度的溶解，从而达到绿色环保、提高油气产量的目的。
45.本发明的携砂纤维具有工艺路线简单、携砂性能好、导流能力强、分散性优异等特点，可以有效减少压裂液损失。而将磷酸镁-纤维蛋白胶和氯化锌加入纤维聚合物，使得制备的携砂纤维具有更加良好的韧性和溶解性。由于该携砂纤维自身具备可溶解性能，随压裂液泵入地下后，不会产生过多纤维残渣，裂缝堵塞风险低，从而能够达到清洁高效、降低能耗的目的。随着导流能力的大幅度提升，压裂液可以传输得更快、更远，从而产生经济效益，达到提质、降本、增效的目标；这对于非常规油气藏开发具有广阔的市场前景。
附图说明
46.图1a为本发明实施例1制备的携砂纤维的sem测试结果图。
47.图1b为本发明实施例1制备的携砂纤维横截面的sem测试结果图。
48.图2为本发明实施例1制备的携砂纤维的导流能力测试结果图。
49.图3为本发明实施例1制备的不同质量携砂纤维对支撑剂相对悬砂性能的测试结果图。
50.图4为本发明实施例1制备的携砂纤维对20g支撑剂相对悬砂性能稳定性的测试结果图。
51.图5为本发明实施例1制备的携砂纤维在90℃温度下的溶解性测试结果图。
52.图6为本发明实施例7制备的单根携砂纤维横截面的sem测试结果图。
具体实施方式
53.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
54.本发明所有数值指定(例如温度、时间、浓度及重量等，包括其中每一者的范围)通
常可是适当以0.1或1.0的增量改变(+)或(-)的近似值。所有数值指定均可理解为前面有术语“约”。
55.实施例1
56.本实施例制备一种携砂纤维，包括以下步骤：
57.将聚乳酸100份、聚对苯二甲酰对苯二胺15份、十二烷基苯磺酸钠3份、柠檬酸3份、聚乙烯醇16份、单硬脂酸甘油酯11份、聚乙二醇16份、磷酸镁-纤维蛋白胶8份、氯化锌2份在1500r/min下搅拌30min，制得均匀混合溶液。
58.其中，聚乳酸酯聚乳酸的相对分子量为110000，聚乙烯醇的相对分子量为27000，聚对苯二甲酰对苯二胺的相对分子量为55000。
59.将制备成的聚乳酸混合物在200℃下螺杆挤压熔融，将熔融混合物通过静电纺丝设备挤出熔体细流，将熔融混合物通过静电纺丝设备挤出熔体细流，喷丝后的溶体浸入10℃下水和n,n-二甲基乙酰胺(dmac)的混合溶液凝固浴中冷却15s，得到初生纤维；对初生纤维进行拉伸，经过导辊牵伸、湿热牵伸、干热牵伸，提高纤维的力学性能和尺寸稳定性。在200℃下热定型、常温冷却喷淋，在100℃下蒸汽熨烫、卷曲，再进行缠绕，切断，打包。
60.根据本实例的制备方法，携砂纤维的长度为5mm
–
7mm，直径30μm
–
32μm。图1a为本发明实施例1制备的携砂纤维的sem测试结果，由图1a可以测量出本实例制备出的携砂纤维的长度为5mm
–
7mm。图1b为本发明实施例1制备的携砂纤维横截面的sem测试结果，由图1b可以测量出本实例制备出的携砂纤维的横截面直径为30μm
–
32μm。
61.实施例2
62.本实施例对实施例1制备的携砂纤维进行测试，用于模拟油井储层压裂过程中携砂纤维对支撑剂导流性能的影响，以了解在地层中被携砂纤维支撑的裂缝，其导流能力随闭合压力变化的关系。
63.将样品分成实验组和对照组，实验组将携砂纤维和5g支撑剂(陶粒)在覆有铜丝网的岩石表面上单层平铺，保持支撑剂与携砂纤维分散的均匀和紧密。对照组则仅将5g支撑剂在覆有铜丝网的岩石表面上单层平铺。打开导流仪器，通过施加不同压力载荷，得到在不同压力下，实验组和对照组导流能力值。
64.图2为本发明实施例1制备的携砂纤维的导流能力测试结果，由图2可见，在较高压力下，加入携砂纤维后支撑剂导流能力有所提升。在30mpa时，导流效果最佳。
65.实施例3
66.本实施例对实施例1制备的携砂纤维进行测试，用于检验油井储层压裂过程中携砂纤维对支撑剂悬浮能力的影响。
67.量取1500ml去离子水置于烧杯中缓慢加入4.5g瓜尔豆胶，室温下搅拌4h待用，搅拌转速调至1500r/min。制备的基液分为十份至烧杯内各100ml。分别加入50mg、100mg、150mg、200mg、225mg、250mg、300mg、350mg、400mg以及500mg前述实施例1制备的可溶解的携砂纤维，再准备一份作为空白对照。然后分别加入1g的支撑剂(陶粒)，观察1h后的相对悬砂性能。
68.图3为本发明实施例1制备的不同质量的携砂纤维对支撑剂相对悬砂性能的测试结果，图3表明了在1h的时间内，支撑剂在含有不同质量携砂纤维压裂液中相对悬砂性能f/f0对比，其中，f为含有携砂纤维压裂液内沉降支撑剂质量，f0为不含携砂纤维压裂液内沉降
支撑剂质量。随着携砂纤维加入量增多，对支撑剂的悬浮性能提升更加有利，当纤维加入量达到300mg后，携砂纤维的相对悬砂性基本相同。
69.实施例4
70.本实施例对实施例1制备的携砂纤维进行测试，用于检验油井储层压裂过程中携砂纤维对大剂量支撑剂的悬浮能力。
71.量取500ml去离子水置于烧杯中缓慢加入1.5g瓜尔豆胶，室温下搅拌4h待用，搅拌转速调至1500转/min。取制备的基液各100ml至烧杯内，进行5组平行试验，每份加入0.5g本发明实施例1制备的携砂纤维，然后每份加入20g的支撑剂(陶粒)，观察1h后的相对悬砂性，以此证明在加入大剂量支撑剂时，本发明实施例1制备的携砂纤维依然具备比较良好的相对悬砂性能稳定性。
72.图4为本发明实施例1制备的携砂纤维对20g支撑剂相对悬砂性能稳定性的测试结果；图4表明了在1h的时间内，支撑剂在不含携砂纤维和含有携砂纤维的压裂液中相对悬砂性能f/f0对比，其中，f为含有携砂纤维压裂液内沉降支撑剂质量，f0为不含携砂纤维压裂液内沉降支撑剂质量。结果说明加入携砂纤维后，支撑剂的悬浮性得到了明显提升，能满足压裂现场纤维对于相对悬砂性能要求。
73.实施例5
74.本实施例对实施例1制备的携砂纤维进行测试，用于测试在90℃油井储层内压裂过程中可溶解压裂用携砂纤维的溶解性能。
75.称取0.5g本发明实施例1制备的携砂纤维加入到装有50ml去离子水的离心管内，用去离子水做为溶剂，置于的90℃恒温水浴锅中恒温4h。然后取出并全部转移至已烘干的离心管中，将离心管放入离心机内，在1500r/min的转速下离心30min，慢慢倾倒出上层清液；将剩余纤维倒入干燥离心管中，再放入离心机中离心30min，倾倒上层清液，将离心管放入恒温电热干燥箱中，在55℃条件下烘干称重。
76.溶解度η可使用以下方程(1)进行计算：
[0077][0078]
其中，η为溶解度百分比，m1烘干后离心管和纤维的总质量，单位为克(g),m0为使用的离心管的质量，单位为克(g)，共做三次平行测定。
[0079]
图5为本发明实施例1制备的携砂纤维在90℃温度下的溶解性测试结果。图5表明了在90℃下加热4h后，携砂纤维的溶解率数值。结果说明本发明实施例1制备的携砂纤维具有较为优异的溶解性能，在地层中可以实现溶解，减小砂堵损失，提高经济效益。
[0080]
实施例6
[0081]
本实施例在实施例1制备的携砂纤维基础上制备一种覆膜携砂纤维，包括以下步骤：
[0082]
使明胶、增塑剂(甘油)和水按照质量比1:0.5:1.5的比例混合。将配置好的溶液通过喷塑机喷头均匀喷撒到实施例1所制备的携砂纤维上，在纤维表面形成一层柔软并富有弹性的薄膜。
[0083]
实施例6制备的覆膜携砂纤维可以随压裂液被泵入更深的缝隙中，并且表面的薄膜在压裂液中能实现溶解，有利于油气藏的勘探开发，提高压裂液利用率。
[0084]
实施例7
[0085]
本实施例制备一种携砂纤维，包括以下步骤：
[0086]
将聚乳酸酯聚乳酸100份、聚对苯二甲酰对苯二胺13份、十二烷基苯磺酸钠5份、柠檬酸5份、聚乙烯醇15份、单硬脂酸甘油酯13份、聚乙二醇18份、磷酸镁-纤维蛋白胶10份、氯化锌3份在1500r/min下搅拌30min，制得均匀混合溶液。
[0087]
其中，聚乳酸酯聚乳酸的相对分子量为120000，聚乙烯醇的相对分子量为30000，聚对苯二甲酰对苯二胺的相对分子量为60000。
[0088]
将制备成的聚乳酸酯聚乳酸混合物在200℃下螺杆挤压熔融，将熔融混合物通过静电纺丝设备挤出熔体细流，将熔融混合物通过静电纺丝设备挤出熔体细流，喷丝后的溶体浸入10℃下水和n,n-二甲基乙酰胺(dmac)的混合溶液凝固浴中冷却15s，得到初生纤维；对初生纤维进行拉伸，经过导辊牵伸、湿热牵伸、干热牵伸，提高纤维的力学性能和尺寸稳定性。在200℃下热定型、常温冷却喷淋，在100℃下蒸汽熨烫、卷曲，再进行缠绕，切断，打包。
[0089]
根据本实例的制备方法，携砂纤维的长度为5mm
–
7mm，直径35μm
–
37μm。
[0090]
图6为本发明实施例7制备的单根携砂纤维的sem测试结果，由图6可以测量出本实例制备出的单根携砂纤维的直径为35μm
–
37μm。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。